Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sỹ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với Đề tài
“Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng của nền tới trạng thái ứng suất và biến dạng
của đập tràn Ôphixêrốp và trụ pin van cung” được hoàn thành với sự cố gắng nỗ
lực của bản thân tác giả và sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy, cô giáo, cơ quan và
gia đình, b
ạn bè và đồng nghiệp.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Vũ
Thành Hải đã tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu, thông tin khoa học
cần thiết cho luận văn.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo Phòng đào tạo đại học và Sau
đại học, khoa Công trình - Trường Đại học Thuỷ Lợi đã tận tình giảng dạy và giúp
đỡ tác giả
trong suốt quá trình học tập, cũng như quá trình thực hiện luận văn này.
Để hoàn thành luận văn, tác giả còn được sự cổ vũ, động viên khích lệ thường
xuyên và giúp đỡ về nhiều mặt của cơ quan, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Hà Nội, ngày 24 tháng 05 năm 2013
Tác giả luận văn Nguyễn Tuấn Đức


2.1.3. Nguyên lý cực tiểu thế năng 28
2.2. Nội dung của phương pháp phần tử hữu hạn 29
2.3. Tính toán kết cấu với mô hình tương thích 30
2.4. Cấu tạo đập tràn Ôphixêrốp 35
CHƯƠNG 3 39
ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG CỦA NỀN TỚI TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CỦA ĐẬP TRÀN VÀ TRỤ PIN VAN CUNG HỒ CHỨA NƯỚC MỸ LÂM.39
Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
3.1. Giới thiệu chung về hồ chứa nước Mỹ Lâm 39
3.1.1. Địa điểm xây dựng công trình 39
3.1.2. Nhiệm vụ của công trình 39
3.1.3. Các chỉ tiêu thiết kế công trình 39
3.1.4. Quy mô công trình 39
3.1.5. Các thông số cơ bản của đập tràn 40
3.1.6. Các số liệu tính toán cửa van cung 40
3.1.7. Các chỉ tiêu tính toán của vật liệu 41
3.2. Tính toán các lực tác dụng lên đập tràn 43
3.2.1. Sơ đồ tính toán 43
3.2.2. Trọng lượng bản thân 43
3.2.3. Áp lực nước thượng lưu 43
3.2.4. Áp lực nước thấm 44
3.2.5. Áp lực nước cửa van 44
3.2.6. Tổ hợp tải trọng 45
3.3. Mô hình hóa kết cấu của đập tràn Ôphixêrốp, trụ pin van cung và nền công
trình bằng phần tử khối 46
3.3.1. Chương trình tính toán kết cấu SAP2000 46
3.3.2. Mô hình tính toán kết cấu 48
3.3.3. Xây dựng mô hình phần tử mặt Area trong SAP2000 50

4.2.3. So sánh kết quả tính toán chuyển vị theo hai mô hình 82
4.3. Kết luận chương IV 83
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84
1. Kết quả đạt được 84
2. Hạn chế, tồn tại 84
3. Kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

Trường Đại Học Thủy Lợi Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: Các hình thức đập trọng lực tràn nước 6
Hình 1-2: Phân loại đập tràn theo hình dạng cửa tràn 6
Hình 1-3: Đập tràn thành mỏng 7
Hình 1-4: Đập tràn thực dụng mặt cắt đa giác 7
Hình 1-5: Đập tràn thực dụng mặt cắt hình cong 7
Hình 1-6: Đập tràn thủy điện Hòa Bình tỉnh Hòa Bình 8
Hình 1-7: Đập tràn hồ chứa nước Định Bình tỉnh Bình Định 8
Hình 1-8: Đập tràn Tân Giang tỉnh Ninh Thuận 9
Hình 1-9: Đập tràn Lòng Sông tỉnh Bình Thuận 9
Hình 1-10: Đập tràn cao su Tha La – Tân Châu tỉnh Tây Ninh 10
Hình 1-11: Đập tràn tự do ngưỡng răng cưa Phước Hòa tỉnh Bình Phước 10
Hình 1-12: Đập tràn đỉnh rộng 11
Hình 1-13: Đập tràn hồ chứa nước Gò Miếu tỉnh Thái Nguyên 11
Hình 1-14: Phân loại đập tràn theo hình dạng ngưỡng tràn 12
Hình 1-15: Đập tràn khép kín thủy lợi Phước Hòa tỉnh Bình Phước 12
Hình 1-16: Mô hình phân tố bao quanh một điểm trong thân đập 13
Hình 1-17: Sơ đồ tính toán ứng suất biên 15
Hình 1-18: Sơ đồ tính toán ứng suất theo lý thuyết đàn hồi 18

11
đập tràn 60
Hình 3-17: Phổ màu ứng suất S
22
đập tràn 60
Hình 3-18: Phổ màu ứng suất S
33
đập tràn 60
Hình 3-19: Phổ màu ứng suất S
11
nền đập 61
Hình 3-20: Phổ màu ứng suất S
22
nền đập 61
Hình 3-21: Phổ màu ứng suất S
33
nền đập 61
Hình 3-22: Phổ màu ứng suất S
11
mặt đập 62
Hình 3-23: Phổ màu ứng suất S
22
mặt đập 62
Hình 3-24: Phổ màu ứng suất S
22
lõi đập 62
Hình 3-25: Chuyển vị các điểm góc của trụ biên 63
Hình 3-26: Phổ màu ứng suất S
11
trụ biên 63

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Hình 3-37: Phổ màu ứng suất S
max
trụ giữa 69
Hình 3-38: Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn nhất trụ biên 70
Hình 3-39: Biểu đồ thay đổi ứng suất lớn nhất trụ giữa 70
Hình 3-40: Chuyển vị tại điểm góc trên đỉnh trụ biên và trụ giữa 71
Hình 3-41: Biểu đồ thay đổi chuyển vị trụ biên 72
Hình 3-42: Biểu đồ thay đổi chuyển vị trụ giữa 72
Hình 4-1: Mô hình phần tử vỏ và áp lực nước thượng lưu 75
Hình 4-2: Mô hình phần tử vỏ và áp lực nước cửa van 76
Hình 4-3: Trạng thái ứng suất và nội lực tại một điểm trong phần tử vỏ 76
Hình 4-4: Vị trí các điểm so sánh ứng suất 77
Hình 4-5: Phổ màu ứng suất S
11
theo mô hình phần tử vỏ 78
Hình 4-6: Phổ màu ứng suất S
11
theo mô hình phần tử khối 78
Hình 4-7: Phổ màu ứng suất S
22
theo mô hình phần tử vỏ 79
Hình 4-8: Phổ màu ứng suất S
33
theo mô hình phần tử khối 79
Hình 4-9: Phổ màu ứng suất S
12
theo mô hình phần tử vỏ 80
Hình 4-10: Phổ màu ứng suất S
13

Bảng 4-1: Các thành phần ứng suất tương đương 77
Bảng 4-2: So sánh trạng thái ứng suất trụ biên 81
Bảng 4-3: So sánh trạng thái ứng suất trụ giữa 81
Bảng 4-4: So sánh chuyển vị trụ biên 82
Bảng 4-5: So sánh chuyển vị trụ giữa 82

Trường Đại Học Thủy Lợi 1 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài
Đập tràn xả lũ là công trình không thể thiếu ở các hồ chứa nước, nó có nhiệm
vụ xả nước thừa để khống chế mực nước cao nhất có thể giữ ở hồ theo thiết kế, đảm
bảo an toàn cho đập. Việc tính toán thủy lực, tính toán kết cấu tràn, quản lý chất
lượng thi công đều có ảnh hưởng lớn tới công tác qu
ản lý và vận hành đảm bảo an
toàn công trình sau này.
Đập tràn được phân thành nhiều khoang tràn bởi trụ pin để thuận lợi cho việc
bố trí cửa van, cầu công tác, cầu giao thông, máy đóng mở… Ngoài ra trụ pin còn
chịu áp lực nước do cửa van truyền tới.
Nhiều năm gần đây, việc tính toán ứng suất và biến dạng cho đập tràn trụ pin
van cung thường đưa về bài toán phẳng nên chưa phản ánh đúng trạng thái chịu lực
của công trình khi làm việc. Trong thực tế, đập tràn, trụ pin, van cung và nền cùng
làm việc đồng thời và phải được tính theo bài toán không gian thì mới phản ánh được
đầy đủ, chính xác trạng thái làm việc của công trình.
Trong thiết kế, tài liệu về địa chất của nền công trình khó có thể phản ánh
chính xác trạng thái thực của nền. Các số liệu này ảnh hưởng tới ứng suất và biến
dạng của đập tràn Ôphixêrốp cửa van cung như thế nào.
Đây là nội dung nghiên cứu
của luận văn.

khối.
- Thay đổi độ cứng của nền bằng cách thay đổi môđun đàn hồi và hệ số
Poison. Phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của đập và trụ pin.
- Phân tích so sánh ứng suất và biến dạng của trụ pin đập tràn khi mô hình hóa
bằng phần tử khối và phần tử tấm vỏ.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Cách tiếp cận:
- Thu thập và tổng hợp các tài liệu nghiên cứ
u đã có ở trong và ngoài nước
liên quan đến đề tài.
- Thu thập và tổng hợp các tài liệu về công trình hồ chứa nước Mỹ Lâm.
Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp điều tra, thu thập tổng hợp tài liệu.
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, sử dụng mô hình toán.
- Phương pháp sử dụng phần mềm SAP2000 để tính toán ứng suất và biến dạng.
- Phương pháp phân tích, tổng hợp.
Trường Đại Học Thủy Lợi 3 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐẬP TRÀN
1.1. Các loại đập tràn
Các điều tra khảo cổ học đã xác định công trình thủy lợi xuất hiện ở Lưỡng Hà
và Ai Cập vào khoảng thiên niên kỷ 6 TCN.
Hệ thống chứa nước và thủy lợi cũng được phát triển bởi nền văn minh Indus
ở Pakistan và bắc Ấn Độ vào năm 3.000 TCN.
Theo thống kê của Hội đập cao thế giớ
i (ICOLD) tính đến năm 2000 trên
toàn thế giới có khoảng 45.000 đập lớn. Theo cách phân loại của ICOLD thì đập có
chiều cao H=10÷15m và có chiều dài L≥500m, Q

Trường Đại Học Thủy Lợi 4 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Bảng 1-1: Tổng hợp các công trình thủy lợi thủy điện tiêu biểu của Việt Nam
STT Tên công trình
Năm
xây
dựng
Loại
đập
H
max
Hình thức tràn Q
xả max

Dung
tích
toàn bộ
Dung
tích hữu
ích

(m) (m
3
/s) (10
6
m
3
)(10
6

1969-
1974
A 20
Tràn có cửa, tiêu năng
đáy
90 110 58
5
Hồ chứa nước
Đại Lải
1959-
1961
A 13 Tràn đỉnh rộng 475 35 21
6
Hồ chứa nước
Kẻ Gỗ
1976-
1988
A 37
Tràn có cánh cửa hình
cung
1.764 425 345
7
Hồ chứa nước
Sông Rác
1987-
1996
A 27
Tràn dốc nước, tiêu năng
bằng mũi phun
1.250 125 110

Tràn BTCT, tiêu năng
bằng mũi phun
618 24 19
12
Hồ chứa nước
Tuyền Lâm
1982-
1987
A 32
Tràn đỉnh rộng, nối tiếp
dốc nước, bậc nước
500 11 10
13
Hồ chứa nước
Cà Giây
1996-
2000
A 25
Tràn tự do, tiêu năng
bằng mũi phun
304 37 29
14
Hồ chứa nước
Sông Quao
1988-
1997
A 40
Tràn BTCT, tiêu năng
bằng mũi phun
1.058 73 67

mũi phun
792 147 136
19
Hồ Krong buk
Hạ
2006-
2010
A 33
Tràn có cửa, tiêu năng
mặt
1.020 109 96
20 Hồ Iamơ
2006-
2010
A 32
Tràn thực dụng, tiêu
năng mặt
654 178 163
21 Hồ Iam'lá
2006-
2010
A 38
Tràn có cửa, tiêu năng
mũi phun
714 54 49
22 Hồ Sông Ray
2006-
2010
A 35
Tràn có cửa, tiêu năng

6
m
3
)
23 Hồ Cửa Đạt
2004-
2009
C 119
Tràn có cửa, tiêu năng
đáy
11.594 1.365 1.071
24 Hồ Nước Trong
2006-
2010
D 72
Tràn xả lũ có mặt cắt
dạng thực dụng
290 259
25 Hồ Tả Trạch
2006-
2010
A 60
Tràn xả mặt kết hợp xả
sâu, tiêu năng mũi phun
646 573
26
Thủy điện
Thác Bà
1964-
1971

B 71
Tràn Ôphixêrốp, tiêu
năng mũi phun
17.400 1.037 779
30
Thủy lợi
Phước Hòa
2006-
2010
A 28
Tràn tự do ngưỡng răng
cưa (labyrinth weir)
4.200
31
Thủy điện
Hàm Thuận
1997-
2001
B 94
Tràn Ôphixêrốp, tiêu
năng mũi phun
695 523
32
Thủy điện
Đại Ninh
2003-
2007
B 56
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun

Đồng Nai 4
2004-
2010
D 128
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
10.000 337 320
37
Thủy điện
Sơn La
2005-
2012
D 138
Tràn thực dụng, tiêu
năng mũi phun
34.780 9.260 6.504
CHÚ THÍCH:
A: Đập đất
B: Đập đá đổ có lõi chống thấm
C: Đập đá đổ + Bê tông bản mặt
D: Đập bê tông đầm lăn
E: Đập bê tông trọng lực
Theo chức năng, đập bê tông trọng lực được phân thành:
- Đập không tràn: Đập có chức năng chắn nước, không cho nước tràn qua.
- Đập tràn nước: Đập có chức năng chắn nước, cho nước tràn qua.
Trường Đại Học Thủy Lợi 6 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21

a. Tràn mặt b. Xả sâu c. Kết hợp tràn mặt và xả sâu


Hình 1-4: Đập tràn thực dụng mặt cắt đa giác

Hình 1-5: Đập tràn thực dụng mặt cắt hình cong
Trường Đại Học Thủy Lợi 8 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Các công trình thủy lợi thủy điện lớn thường dùng đập tràn thực dụng mặt cắt
hình cong.

Hình 1-6: Đập tràn thủy điện Hòa Bình tỉnh Hòa Bình

Hình 1-7: Đập tràn hồ chứa nước Định Bình tỉnh Bình Định
Trường Đại Học Thủy Lợi 9 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21

Hình 1-8: Đập tràn Tân Giang tỉnh Ninh Thuận

Hình 1-9: Đập tràn Lòng Sông tỉnh Bình Thuận
Trường Đại Học Thủy Lợi 10 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Với sự phát triển của khoa học công nghệ còn có các loại đập tràn mới như:

Hình 1-10: Đập tràn cao su Tha La – Tân Châu tỉnh Tây Ninh

Hình 1-11: Đập tràn tự do ngưỡng răng cưa Phước Hòa tỉnh Bình Phước
Trường Đại Học Thủy Lợi 11 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật


Trường Đại Học Thủy Lợi 13 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
1.2. Tổng quan về tính toán kết cấu đập tràn
Tính toán kết cấu bao gồm tính ứng suất và biến dạng của công trình do tác
động của ngoại lực.
Tính toán ứng suất trong thân đập nhằm mục đích xác định trị số, phương
chiều và sự phân bố của các ứng suất dưới tác dụng của ngoại lực và các nhân tố
khác như biến dạng của nền, sự thay đổi nhiệt độ, s
ự phân chia giai đoạn thi công
của thân đập Trên cơ sở đó tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của công trình,
bố trí các bộ phận công trình thích ứng với điều kiện làm việc.
Khi tính toán xem vật liệu làm việc trong miền đàn hồi, quan hệ giữa ứng suất
và biến dạng là tuyến tính. Ứng suất và biến dạng của đập không chỉ phụ thuộc vào
tải trọng tác d
ụng lên đập, ảnh hưởng của nền đập…mà còn phụ thuộc vào tọa độ
x,y của từng điểm trong thân đập, giữa chúng có mối liên hệ chặt chẽ với nhau
thông qua các phương trình cân bằng, phương trình hình học, phương trình vật lý
gọi chung là các phương trình cơ bản.
1.2.1. Các phương trình cơ bản
Xét một phân tố hình hộp vô cùng nhỏ bao quanh một điểm nào đó trong đập.
Tách phân tố đó ra khỏi đậ
p.
y
z
x
τ
xy
τ
yz

yz
xz
z
X
xyz
Y
xyz
Z
xyz
τ
στ
τστ
τ
τ
σ
∂
⎧
∂∂
+++=
⎪
∂∂∂
⎪
⎪
∂∂∂
⎪
+++=
⎨
∂∂∂
⎪
⎪

+ X, Y, Z: Các thành phần hình chiếu của lực thể tích lên trục.
b. Phương trình hình học Cauchy
Phương trình hình học Cauchy là phương trình liên hệ giữa các thành phần
biến dạng và chuyển vị với giả thiết biến dạng nhỏ.
Biến dạng thẳng:
x
u
x
ε
∂
=
∂
;
y
v
y
ε
∂
=
∂
;
w
z
z
ε
∂
=
∂
(1.2)
Biến dạng góc:

∂
∂
(1.3)
Với u, v, w là các chuyển vị.
c. Phương trình liên tục về biến dạng Saint Venant
22
2
22
2
,
2 ,
yxy
x
xy yz
zx x
yxxy
x
yzx yz
εγ
ε
γγ
γε
⎧
∂∂
∂
+=
⎪
∂∂∂∂
⎪
⎨

[D]
−
là ma trận các hằng
số đàn hồi.
Trong tính toán kết cấu đập bê tông trọng lực hiện nay thường sử dụng ba
phương pháp tính toán sau:
Trường Đại Học Thủy Lợi 15 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
1.2.2. Phương pháp sức bền vật liệu
Còn gọi là phương pháp phân tích trọng lực hoặc phương pháp phân tích tuyến
tính. Phương pháp này đơn giản cho kết quả đủ độ tin cậy trong các bài toán thiết kế
đập bê tông trọng lực có cấu tạo mặt cắt cũng như nền không phức tạp.

Hình 1-17: Sơ đồ tính toán ứng suất biên
a. Ứng suất pháp và tiếp b. Ứng suất chính
-
G
∑
: Tổng các lực theo phương thẳng đứng.
- P
∑
: Tổng các lực theo phương nằm ngang.
-
0
M
∑
: Tổng mô men đối với tâm mặt cắt
a. Ứng suất tại biên đập
Ứng suất pháp trên mặt cắt ngang:

tg
τ
σα
=
(1.8)
Ứng suất pháp trên mặt cắt đứng:
+ Biên thượng lưu:
''2
1
()
xy
yy tg
σ
γγσα
=− − (1.9)
+ Biên hạ lưu:
""2
2xy
tg
σ
σα
=
(1.10)
Trường Đại Học Thủy Lợi 16 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
Với: - γ là trọng lượng riêng của nước.
- y là chiều sâu nước thượng lưu tính đến mặt cắt đang xét.
-
1

"
1
'"
1
'"
1
2
6
1
24
6
1
33
a
P
b
BB
P
c
BB
τ
τ
τ
τ
τ
=
⎡
⎤
=− + +
⎢

y
, τ
xy

tại các điểm đang xét, từ đó xác định được ứng suất chính và phương chính tại mọi
điểm trong thân đập.
Nhược điểm: Kết quả tính toán có sai số lớn, không phản ánh đúng trạng thái
ứng suất và biến dạng trong đập. Nguyên nhân do tính theo sức bền vật liệu đã coi
đập như một thanh được ngàm chặt vào nền, chịu uốn và kéo nén đồng thời, giả
thiết s
ự phân bố ứng suất pháp σ
y
trên mặt phẳng nằm ngang là đường thẳng không
đúng với thực tế, trị số tại biên đập được xác định theo công thức nén lệch tâm, vật
liệu đồng nhất đẳng hướng. Mặt khác, không thể giải quyết được các bài toàn phức
Trường Đại Học Thủy Lợi 17 Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật

Học viên: Nguyễn Tuấn Đức Lớp: CH19C21
tạp như có biến dạng nền, ứng suất tập trung, ứng suất tại lỗ khoét, ứng suất nhiệt,
tính dị hướng, không xét được trong giai đoạn thi công…
Phạm vi ứng dụng: Do sai số lớn nên phương pháp sức bền vật liệu hầu như
không được sử dụng để phân tích ứng suất và biến dạng trong thiết kế đập. Thường
được sử dụng để tính toán trong giai đoạn thiết kế sơ bộ đối với công trình cấp III,
IV (theo 14TCN 56-88).
1.2.3. Phương pháp lý thuyết đàn hồi
Phương pháp này xem thân đập là một môi trường liên tục, đồng nhất, đẳng
hướng, ứng suất và biến dạng trong phạm vi đàn hồi của vật liệu tuân theo định luật
Húc. Với những đập cao các giả thiết đó cơ bản phù hợp với thực tế.
a. Đập có dạ
ng hình nêm vô hạn chịu tác dụng áp lực nước và trọng lượng bản thân

()
()
()
()
()
()
()
()
2
1
11221 12122
22
12 12
22 2 2
1
11221212
22
12 12
2
1
221 112
22
12 12
22 2
1
212 2112
22
12 12
32311122
2

⎨
⎪
=−−+−
⎪
++
⎪
⎪
=+−−−
⎪
++
⎩
=− =− = =
(1.16)
γ; γ
1
: là trọng lượng riêng của nước và vật liệu xây đập.
Ứng suất tại biên đập được xác định từ các biểu thức (1.15), (1.16) với:
x = - m
1
y và x = m
2
y.